MIKKO MÄNTYRANTA KANTAVIEN TERÄSKUITUBETONIRAKENTEIDEN MITOITUS

Transkriptio

1 MIKKO MÄNTYRANTA KANTAVIEN TERÄSKUITUBETONIRAKENTEIDEN MITOITUS Diplomityö Tarkastaja: professori Ralf Lindberg Tarkastaja ja aihe hyväksytty Rakennetun ympäristön tiedekuntaneuvoston kokouksessa 3. huhtikuuta 2013

2

3 i TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennustekniikan koulutusohjelma MÄNTYRANTA, MIKKO: Kantavien teräskuitubetonirakenteiden mitoitus Diplomityö, 108 sivua, 45 liitesivua Lokakuu 2013 Pääaine: Rakennesuunnittelu Tarkastaja: Professori Ralf Lindberg Avainsanat: Teräskuitubetoni, teräskuitu, kantava rakenne, suunnittelu Teräskuitubetonirakenteiden yleistymisen suurimpana rajoitteena on virallisten yleisesti hyväksyttyjen mitoitusohjeiden puuttuminen. Diplomityössä pyritään etsimään Suomeen soveltuvaa Eurokoodin mukaista kantavien teräskuitubetonirakenteiden mitoitustapaa käymällä läpi olemassa olevia ulkomaisia ohjeita ja aiheeseen liittyvää kirjallisuutta. Selvityksen pohjalta on esitelty merkittävimpiä maailmalla julkaistuja mitoitusohjeita sekä lyhyt kirjallisuusselvitys. Olennaista on myös teräskuitubetonin jäännösvetolujuuden määrittäminen, jota on taustoitettu eri ohjeiden tapauksessa. Työssä pohditaan lisäksi potentiaalisia käyttökohteita ja tutkitaan esimerkkinä teräskuitubetonista valmistetun pilarilaatan mitoitusta. Selvityksen perusteella valittiin yksityiskohtaisempaan tarkasteluun saksassa julkaistu betoninormia DIN 1045 täydentävä DAfStb-Richlinie Stahlfaserbeton -ohje. Saksalainen ohje on yksi harvoista virallisista ohjeista ja se osoittautui normin DIN 1045 kanssa yksityiskohdiltaan kattavimmaksi. Ohje ei ole soveltamisalaltaan laajin, mutta se jättää yhdessä taustatietojen kanssa vähiten tulkinnanvaraisuutta. DIN normissa esitetyt mitoitusohjeet ovat lähes yhtenevät normin EN kanssa käytettäessä saksalaista kansallista liitettä. Useassa Euroopan maassa koekuormitettujen kantavien teräskuitubetonipilarilaattojen on havaittu toimivan riittävällä teräskuitumäärällä sitkeästi murtotilanteessa. Esimerkkilaskelmassa pyrittiin mitoittamaan toimistorakennukseen soveltuva pilarilaatta saksalaisen ohjeen mukaisesti. Ohjeen sallimissa rajoissa laatan paksuus muodostui noin puolitoistakertaiseksi tavanomaiseen laattaan verrattuna, jolloin taloudellisuus on kyseenalainen. Ratkaisevassa osassa on käytettävän jäännösvetolujuuden arvo, joka tyypillisesti määritetään taivutuskokeilla pienin koekappalein, jonka jälkeen saatu taivutusvetolujuus muutetaan suoraksi vetolujuudeksi. Lopullinen arvo ei välttämättä kuvaa todellista tilannetta laattamaista rakennetta suunniteltaessa. Suunniteltavan rakenneosan kokoa pyritään ohjeissa kuitenkin huomioimaan erilaisilla kokokertoimilla. Työn kuluessa havaittiin, että esitettyä mitoitustapaa tulisi yksinkertaistaa mahdollisimman paljon, jotta sen käyttö voisi yleistyä. Jäännösvetolujuuden määrittämiseen ja rakenneosan koon huomioimiseen ei ole vielä löydetty yleisesti hyväksi todettua ratkaisua. Teräskuitubetonin potentiaalisia käyttökohteita ovat esimerkiksi pientalojen rakenteet, holvit, seinät, perustukset ja elementit sekä korkeata leikkauskapasiteettia tai dynaamisten kuormitusten kestokykyä vaativat rakenteet. Jatkotutkimuksiksi suositellaan vertailulaskelmien suorittamista muiden ohjeiden mukaisesti sekä kuormituskokeita.

4 ii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Construction Engineering MÄNTYRANTA, MIKKO: Design of load-bearing steel fiber reinforced concrete structures Master of Science Thesis, 108 pages, 45 Appendix pages October 2013 Major: Structural Design Examiner: Professor Ralf Lindberg Keywords: Steel fiber reinforced concrete, SFRC, load-bearing, design The main reason that is still limiting the use of Steel Fiber Reinforced concrete (SFRC) is the lack of generally accepted design codes. The aim of this thesis is to find Eurocode compatible design method for load bearing SFRC structures by studying existing foreign design guidelines and literature on this topic. The best known design guidelines and literature sources have been reviewed briefly. Determination of post-cracking tensile strength is essential with the SFRC and the different methods how guidelines consider it are also discussed in this thesis. Potential applications of SFRC have been discussed and demonstrated with design calculations of steel fiber reinforced flat slab. The German DAfStb Technical Rule on Steel Fibre Reinforced Concrete was chosen for more detailed examination. The German rule which is supplementary to the German concrete standard DIN 1045 is one of the few guidelines with an official status. It turned out to be the most comprehensive with all its details. The scope of the guideline is not the widest but with the available background information there is the least room for interpretation. The design rules presented in DIN 1045 are almost identical with the rules in Eurocode EN with the German National Annex. SFRC flat slabs have been test loaded in several European countries and with sufficient fiber amount they have shown ductile behavior in the ultimate limit state. In the example case the aim was to design a load bearing SFRC flat slab applicable in an office building according to the German guideline. Within the limits of the guideline the thickness of the slab became one and a half times larger compared to an ordinary flat slab and therefore the efficiency is questionable. The value used for the post cracking tensile strength is crucial. Normally it is determined through a bending test with a small test specimen and the flexural strength is then converted to the axial tensile strength. The final value may not reflect the reality when a slab is in question. Therefore in the guidelines different types of size factors have been presented. It was found that the presented design method should be simplified as much as possible in order to its use to become common. There is still no agreement on which test method best represents the toughness of SFRC or what is the best way to take into account the size of the real structure. Potential applications for SFRC include one-family houses, slabs, walls, foundations, precast elements and structures exposed to high shear stress or dynamic loading. Load tests and further design calculations based on the other guidelines are recommended for the future research.

5 iii ALKUSANAT Diplomityö on tehty Rakennusteollisuus RT ry:n toimeksiannosta marraskuun 2012 ja toukokuun 2013 välisenä aikana. Työn tekeminen on tapahtunut pääosin Ramboll Finland Oy:n tiloissa Espoon Leppävaarassa. Työn kuluessa järjestettiin ohjausryhmän palavereita noin kahden kuukauden välein yhdessä kahden muun diplomityön teon yhteydessä. Kiitokset työni ohjaamisesta Ramboll Finland Oy:n Tapio Aholle sekä Rudus Oy:n Pentti Lumpeelle, joilta sain tärkeitä ohjeita ja kommentteja työn kuluessa. Lisäkiitos Tapio Aholle myös työn järjestämisestä. Työn valvonnasta, neuvoista ja betonirakentamisen opetuksesta kiitokset tarkastajana toimineelle professori Ralf Lindbergille. Kiitokset myös Rakennusteollisuus RT ry:n Seppo Petrowille ja kaikille ohjausryhmässä mukana olleille. Haluan lisäksi kiittää perhettäni koko opiskelujeni aikaisesta tuesta. Kiitokset tuesta ja kannustuksesta kuuluvat myös avopuolisolleni Jaanalle. Kiitokset myös kaikille opiskelukavereilleni. Espoossa, Mikko Mäntyranta

6 iv

7 v SISÄLLYS Tiivistelmä... i Abstract... ii Termit ja niiden määritelmät... viii 1 Johdanto Tutkimuksen tausta Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen rajaukset Kuitubetonirakenne Yleistä Historia ja kehitys Nykytilanne ja käyttökohteet Materiaalien mekaaniset ominaisuudet Teräskuidut Tuore teräskuitubetonimassa Kovettunut teräskuitubetoni Rakenteen toiminta Betonimatriisin ja teräskuidun sidos Kuitubetonirakenteen käyttäytyminen Teräskuitubetonin luokittelu Materiaaliominaisuuksien määritys Halkeilun jälkeisen taivutusvetolujuuden määritys taivutuskokeilla Muita koemenetelmiä Täysimittaiset kokeet Materiaaliominaisuuksia kirjallisuuden perusteella Materiaaliominaisuuksia VTT:n testien perusteella Ulkomaiset suunnitteluohjeet ja kirjallisuus Mitoitusperusteita Ulkomaisia suunnitteluohjeita RILEM TC 162-TDF: design method Eurooppa DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton Saksa CNR-DT 204/2006 Guide for the Design and Construction of Fiber-Reinforced Concrete Structures Italia Fib: Model Code 2010 Eurooppa ACI Yhdysvallat ArcelorMittal-method kuituvalmistaja Muita ohjeita ja suosituksia Mitoitusohjeiden välillä esiintyviä eroja Kirjallisuus ja julkaisut Kirjallisuus... 61

8 vi Artikkelit Eurokoodin mukainen mitoitus Saksalaisten ohjeiden perusteella Mitoitustavan valinta Yleistä Soveltamisala Soveltamisalan rajaaminen Tarkennuksia rajoituksista Varmuusperiaatteet Suunnittelukestävyys Murtorajatila Rakenteiden säilyvyys Rakenteen mitoituksen perusteita Mitoitusmenetelmiä Yleistä Kimmoteoria Plastisuusteoria Epälineaarinen menetelmä Normaalivoimalle altistuvat pitkittäiset ja seinämäiset rakenneosat (toisen kertaluvun teoria) Materiaaliominaisuudet Betoni Teräskuidut Tarkastelut murtorajatilassa Yleistä Taivutus ja normaalivoima Leikkaus Vääntö Lävistys Ristikkomalli Paikallinen puristus Tarkastelut käyttörajatilassa Halkeilun rajoittaminen ja vetojännityksettömän tilan tarkistaminen Muodonmuutosten rajoittaminen Yleiset raudoitusohjeet Terästen jakoväli Rakentamista koskevat ohjeet Etupäässä taivutusrasitetut rakenneosat Palkit ja laattapalkit Käyttökohteet Sovelluskohteita Pilarilaatan mitoitus esimerkkirakenteena... 87

9 5.2.1 Taustaa Voimasuureiden laskeminen kimmoteoriaan perustuen Laatan mitoitus kimmoteorian mukaisille rasituksille Myötöviivateorian mukainen mitoitus Tulosten tarkastelu Kirjallisuusselvitys Valitun mitoitustavan käytettävyys Pilarilaatan mitoitus Johtopäätökset Päätelmät Jatkotutkimustarpeet Lähteet Liitteet vii

10 viii TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT f fc L1 L2 u s f ct L1 L2 fc f ct Laskennallisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden (suorituskykyluokassa 2) suhde keskimääräiseen betonin vetolujuuteen; Pitkäaikaisvaikutukset huomioiva alennuskerroin laskettaessa halkeilun jälkeistä vetolujuutta Laskennallisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden (suorituskykyluokassa 2) suhde keskimääräiseen betonin vetolujuuteen Pitkäaikaisvaikutukset huomioiva alennuskerroin laskettaessa halkeilun jälkeistä vetolujuutta Kerroin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvojen määrittämiseksi Kerroin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvon määrittämiseksi suorituskykyluokassa L1 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41) Kerroin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvon määrittämiseksi suorituskykyluokassa L2 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41) Kerroin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvon määrittämiseksi murtorajatilassa käytettäessä suorakaiteen muotoista jännitysjakaumaa ja raudoitusta Kerroin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvon määrittämiseksi käyttörajatilassa käytettäessä raudoitusta Teräskuitubetonin halkeilun jälkeisen vetolujuuden osavarmuuskerroin Taipuma Kohdassa esitetyllä taivutuskokeella saatu taipuma määritettäessä halkeilun jälkeistä vetolujuutta suorituskykyluokassa L1 Kohdassa esitetyllä taivutuskokeella saatu taipuma määritettäessä halkeilun jälkeistä vetolujuutta suorituskykyluokassa L2 Venymä Vetorasitukselle altistuvan teräskuitubetonin laskennallinen puristuma Vetorasitukselle altistuvan teräskuitubetonin laskennallinen venymä

11 ix f ct,u Vetorasitukselle altistuvan teräskuitubetonin laskennallinen murtovenymä f sm Raudoituksen keskimääräinen venymä otettaessa huomioon teräskuitujen vaikutus Kuidun hoikkuusluvusta riippuva kerroin (CNR) fg Rakenneosan koon huomioon ottava kerroin fg Kuitujen orientaation vaikutuksen huomioiva kerroin määritettäessä keskeisiä halkeilun jälkeisen vetokestävyyden arvoja perusarvoista h Poikkileikkauksen koosta riippuva kerroin (RILEM) Poikkileikkauksen raudoitussuhde Vetojännitys fct Teräskuitubetonissa esiintyvä vetojännitys mu Matriisin halkeamajännitys Kuidun ja betonimatriisin välinen tartuntajännitys (sidoslujuus) au Adhesiivinen sidoslujuus Kitkan kautta muodostuva leikkauslujuus (sidoslujuus) fu b Poikkileikkauksen leveys d f Kuidun paksuus d f s Halkeamaleveyden laskennassa käytettävä muunnettu raudoitustangon halkaisija (huomioitu teräskuitujen vaikutus) f ck Betonin puristuslujuus f eq Teräskuitubetonin ekvivalentti lujuus (RILEM) f fcbu Teräskuitubetonin taivutusvetolujuus (Lanu) f fccu Teräskuitubetonin puristuslujuus (Lanu) f f cflk Teräskuitubetonin halkeilun jälkeisen taivutusvetolujuuden karakteristinen arvo f f cflm Teräskuitubetonin halkeilun jälkeisen taivutusvetolujuuden keskimääräinen arvo f fck Teräskuitubetonin puristuslujuus f f ct0 Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvo f f ct0,l1 Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvo suorituskykyluokassa L1 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41) f f ct0,l2 Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvo suorituskykyluokassa L2 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41)

12 x f f ct0,u Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvo murtorajatilassa käytettäessä suorakaiteen muotoista jännitysjakaumaa ja raudoitusta f f ct0,s Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden perusarvo käyttörajatilassa käytettäessä raudoitusta f f ctd,l1 Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden suunnitteluarvo suorituskykyluokassa L1 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41) f f ctd,l2 Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden suunnitteluarvo suorituskykyluokassa L2 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41) f f ctd,u Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden suunnitteluarvo murtorajatilassa käytettäessä suorakaiteen muotoista jännitysjakaumaa ja raudoitusta f f ctr,j Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden laskennallinen arvo f f ctr,l1 Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden laskennallinen arvo suorituskykyluokassa L1 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41) f f ctr,l2 Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden laskennallinen arvo suorituskykyluokassa L2 käytettäessä koko jännitys-muodonmuutos-kuvaajaa (kuvat 40 ja 41) f f ctr,u Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden laskennallinen arvo murtorajatilassa käytettäessä suorakaiteen muotoista jännitysjakaumaa ja raudoitusta f f ctr,u Teräskuitubetonin keskeisen halkeilun jälkeisen vetolujuuden laskennallinen arvo käyttörajatilassa käytettäessä raudoitusta f fctu Teräskuitubetonin vetolujuus (Lanu) f ft Teräskuitubetonin suora vetolujuus f Fts Teräskuitubetonin suoran vetolujuuden jäännösarvo käyttörajatilassa (fib) f Ftu Teräskuitubetonin suoran vetolujuuden jäännösarvo murtotilassa (fib) f fu Kuidun vetolujuus f R,i Teräskuitubetonin jäännöslujuus (RILEM, fib) h Poikkileikkauksen korkeus h sp Loven syvyys koepalkissa (RILEM)

13 xi l c l cr l e l f l f /d f l w s f w s r s rm v Rd,cf v f Rd,ct v f Rd,ct,a v Rd,cf,r=1,0d v f Rd,cf,r=1,0d w z f Kriittinen kuitupituus Rakenneosan koosta riippuva karakteristinen pituus (CNR) Kuidun tartuntapituus Kuidun pituus Kuidun hoikkuusluku Lävistysraudoitetun alueen leveys Pituus, jonka yli teräskuitubetonissa esiintyvän halkeaman katsotaan levinneen, laskettaessa teräskuitubetonin venymää vetorasitukselle altistuessa Halkeamaväli Keskimääräinen halkeamien välinen etäisyys (CNR) Kuituvaikutuksen rajoittama kriittisen piirin leikkauskestävyyden suunnitteluarvo Lävistysraudoittamattoman laatan leikkauskestävyyden suunnitteluarvo kriittisellä piirillä otettaessa huomioon kuitujen vaikutus Laatan leikkauskestävyyden suunnitteluarvo leikkausraudoitusta sisältävän alueen ulkopuolelle jäävällä piirillä otettaessa huomioon kuitujen vaikutus Teräskuitujen vaikutuksesta muodostuva leikkauskestävyyden suunnitteluarvo laatan kriittisellä alueella 1,0d Leikkauskestävyyden suunnitteluarvo laatan leikkausraudoittamattomalla piirillä r=1,0d otettaessa huomioon kuitujen vaikutus Halkeamaleveys Sisäinen momenttivarsi teräskuitubetonin halkeilun jälkeiselle vetokestävyydelle A f ct A f s C f D i Halkeilleen poikkileikkauksen tai plastisen nivelen vetojännitykselle altistuva osapinta-ala Teräskuitubetonin minimiraudoituksen poikkipinta-ala Kuitupitoisuus Teräskuitubetonin sitkeysluokka (UNI) L1 Suorituskykyluokka 1 L2 Suorituskykyluokka 2 E s Teräksen kimmomoduuli F fd Teräskuitubetonin halkeilun jälkeisestä vetokestävyydestä johtuva vetovoima I i Materiaalin lujuutta kuvaava lujuusindeksi (ASTM) Kuormitusten jakautumisen huomioiva kerroin (fib) K Rd

14 xii V f Rd,ct V R d,cf V f Rd,sy V cr V f W R d R i,j Leikkausraudoittamattoman teräskuitubetonin leikkauskestävyyden suunnitteluarvo Teräskuiduista aiheutuva leikkauskestävyyden mitoitusarvo Leikkauskestävyyden mitoitusarvo, joka rajoittuu leikkausraudoituksesta sekä kuitujen vaikutuksesta muodostuvaan kuomankantokapasiteettiin Kriittinen kuitupitoisuus Kuitumäärä Taivutusvastus Sunnittelukestävyys Jäännöstaivutusvetolujuuskerroin (ASTM) LYHENTEET AFCG Association Française de Génie Civil ASTM American Society for Testing and Materials ACI American Concrete Institute BY Suomen betoniyhdistys CMOD Crack Mouth Opening Displacement CTOD Crack Tip Opening displacement CNR (Italian) National Research Council DAfStb Deutscher Ausschuss für Stahlbeton DIN Deutsches Institut für Normung fib fédération internationale du béton HPFRCC High Performance Fibre Reinforced Cementious Composites HyFRC Hybrid Fibre Reinforced Concrete JSCE Japan Society of Civil Engineering KTH Kungliga Tekniska Högskolan LOP Limit of propertionality RILEM International Union of Laboratiories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures SFRC Steel fiber reinforced concrete SIA Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein FRC Fiber reinforced concrete SETRA Service d'etudes Techniques des Routes et Autoroutes SIFCON SIMCON UHPFRC Slurry Infiltrated Fibre Reinforced Concrete Slurry Infiltrated mat concrete Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete

15 1 1 JOHDANTO 1.1 Tutkimuksen tausta Teräskuitubetonin käyttö on monessa Keski-Euroopan maassa huomattavasti yleisempää kuin Suomessa. Täällä kuitubetonin käyttö on rajoittunut pääosin maanvaraisten lattioiden valmistukseen. [54] Kuitubetonia voisi kuitenkin hyödyntää myös muunlaisissa käyttökohteissa, kuten kantavissa rakenneosissa tietyin rajoituksin. Kuitubetonin käyttö tällaisissa sovelluksissa ei ole kuitenkaan ollut mahdollista, koska Suomessa tai Eurokoodissa ylipäänsä ei ole toistaiseksi esitetty minkäänlaista suunnitteluohjetta kantaville kuitubetonirakenteille [73]. Kantavia kuitubetonirakenteita on tutkittu kuormituskokein eri puolilla Eurooppaa. Rakennuskohteita ja kuormituskokeita on toteutettu esimerkiksi Tallinnassa ja näiden perusteella on havaittu, että kuitubetoni voi olla käyttökelpoinen ratkaisu myös kantavissa rakenteissa. Toisaalta markkinoilla on esiintynyt myös harhaanjohtavin perustein esitettyä tietoa kantavien kuitubetonirakenteiden kestävyydestä sekä kokeisiin perustuvia mitoitusmenetelmiä, joita ei ole voitu todeta luotettaviksi. Verrattuna tavanomaiseen raudoitustapaan, voidaan teräskuitujen käytöllä saavuttaa useita etuja erityisesti työmaatekniikan kannalta. Kuitubetonin käytöllä voidaan päästä alempiin valmistuskustannuksiin, koska työvaiheet yksinkertaistuvat perinteisen raudoitustyövaiheen jäädessä pois. Samalla rakennusaika lyhenee ja vältytään raudoitustyön mahdollisilta asennusvirheiltä. Myös muodoiltaan kompleksisten rakenteiden valmistus helpottuu ja suojabetonikerroksia ei tarvita. Kantaville teräskuitubetonirakenteille on löydettävissä useita potentiaalisia käyttökohteita. Diplomityön tarkoituksena on tehdä selvitys Suomessa käyttökelpoisesta kantavien teräskuitubetonirakenteiden mitoitustavasta. Selvitys suoritetaan vertailemalla muissa maissa olemassa olevia standardeja ja mitoitusohjeita sekä niiden soveltamismahdollisuuksia. 1.2 Tutkimuksen tavoitteet Diplomityön tavoitteena on vertailla ulkomaisia teräskuitubetonirakenteiden mitoitusohjeita ja kehittää niiden pohjalta Eurokoodin mukainen sovellus, jota voitaisiin käyttää Suomessa kantavien teräskuitubetonirakenteiden mitoitukseen. Mitoituksessa tulee varmistua riittävästä varmuustasosta. Työn laatimisessa lähdetään liikkeelle teräskuitubetonin materiaaliominaisuuksista. Työssä pohditaan potentiaalisia teräskuitubetonin käyttökohteita ja keskitytään esimerkkinä teräskuitubetonin käyttömahdollisuuksiin pilarilaatoissa. Pilarilaatan analysoinnissa otetaan huomioon momentin tasaukset ja kuormien jakautuminen. Myös

16 2 soveltamista pientalon rakenteisiin pohditaan lyhyesti. Näiden lisäksi aiheesta on tehty lyhyt kirjallisuusselvitys. 1.3 Tutkimuksen rajaukset Tutkimuksessa keskitytään kuitubetonin kannalta pelkästään teräskuiduilla toteutettaviin rakenteisiin. Aihetta tutkitaan pääasiassa olemassa olevien ulkomaisten suunnitteluohjeiden pohjalta ja lisäksi hyödynnetään aiheesta löytyviä artikkeleita sekä kirjallisuutta. Teräskuitubetonin materiaaliominaisuuksia tutkitaan saatavilla olevien mittaustulosten perusteella. Esimerkkirakenteena tutkitaan pilarilaattaa, mutta työssä pohditaan myös muita potentiaalisia käyttökohteita. Pilarilaatassa voidaan käyttää perinteisiä tankoraudoitteita katastrofiraudoituksena pilarilinjoilla. Työn pohjalta voidaan mahdollisesti toteuttaa varsinainen suunnitteluohje lisätyönä.

17 3 2 KUITUBETONIRAKENNE 2.1 Yleistä Kuitubetonilla (FRC) tarkoitetaan komposiittimateriaalia, joka koostuu betonista sekä siihen lisätyistä kuiduista. Komposiittina nämä kaksi eri materiaalia kompensoivat toistensa huonoja ominaisuuksia. Kuitumateriaalina voivat olla teräs, polymeerit, hiilikuitu, lasi, synteettiset tai luonnolliset materiaalit sekä näiden yhdistelmät. [3,30] Tässä työssä käsitellään vain teräskuitubetonia (SFRC), koska se on materiaaliominaisuuksiltaan edullisin käytettäväksi kantavissa kuitubetonirakenteissa. Betonin osalta keskitytään rakentamisessa tavanomaisesti käytettyihin lujuusluokkiin, eikä perehdytä korkealujuusbetonin käyttämiseen. Kuitujen käytön päällimmäisenä etuna on halkeilun jälkeisen vetolujuuden lisäys hauraissa materiaaleissa ja tämän kautta sitkeyden lisääntyminen. Kuidut pystyvät johtamaan vetojännityksiä halkeamien yli, toimien eräänlaisena siltana, ja tämä johtaa tavallisesti myös halkeamaleveyksien pienentymiseen. [29,43,64,82] Vetolujuuden kasvun lisäksi muita kuitujen tuomia etuja ovat energian absorbointikyvyn lisääntyminen, halkeilun väheneminen, kestävyyden ja kimmoisuuden paraneminen, iskun- ja kulutuksenkestävyyden paraneminen, vaikutukset kutistumiseen ja laajenemiseen sekä termisten ominaisuuksien ja palonkestävyyden paraneminen. [3,29] Kuitubetoni tuo myös monia työmaateknillisiä etuja, kun esimerkiksi tavanomainen raudoitustyö vähenee ja työvaiheet nopeutuvat Historia ja kehitys Kuitujen käyttö hauraiden materiaalien vahvistamisessa ulottuu kauas muinaishistoriaan. Olkia ja hevosen jouhia on käytetty jo tuhansia vuosia parantamaan esimerkiksi savitiilien ominaisuuksia. [3,29,55] Lähempänä nykyaikaa on käytetty laajasti muun muassa asbestikuituja sementin sidosaineena. Asbestin aiheuttamien terveyshaittojen vuoksi alkoi kuitenkin ja 1970-luvuilla esiintyä muita kuituvaihtoehtoja. [3] 1900-luvun alusta lähtien on kokeiltu epäjatkuvien raudoitteiden, kuten naulojen, rautalangan tai teräslastujen käyttöä betonirakenteissa. Teräskuitujen käytön laajempi tutkimus alkoi 1960-luvun aikoihin ja kehitystyö on jatkunut edelleen nykypäivään asti. Kuitubetonin käytön yleistymisen suurimpana rajoitteena on ollut yleisesti hyväksyttyjen mitoitusohjeiden puuttuminen. [3,7]

18 Nykytilanne ja käyttökohteet Nykyaikana monissa insinöörimateriaaleissa, kuten keraameissa, muoveissa, sementeissä ja kipsituotteissa, hyödynnetään kuitujen tuomia edullisia ominaisuuksia. [3] Rakennustekniikan alalla teräskuitu on materiaaliominaisuuksiensa vuoksi yleisesti käytetyin ja useimpiin rakenteisiin parhaiten soveltuva kuitumateriaali. Myös synteettisiä kuituja, kuten polypropyleenia ja nylonia, käytetään jonkin verran, lähinnä estämään betonin plastisen kutistuman aiheutumaa halkeilua. [43] Teräskuitubetonin käyttö on rajoittunut Suomessa tällä hetkellä lähinnä maanvaraisten teollisuuslattioiden sekä paalulaattojen valmistukseen. Tämän lisäksi teräskuituja on hyödynnetty ruiskubetonoinnissa, jolloin käytetään tavallista lyhyempiä kuituja. Tulevaisuuden käyttökohteita voisivat olla myös kantavat välipohjalaatat, pientalorakenteet, elementit ja liittorakenteet. [55] Ulkomailla teräskuitubetonia on käytetty useissa kohteissa, muun muassa Tallinnassa, esimerkiksi toimisto- ja asuinrakennuksien kantavina välipohjina. Maailmalla on suoritettu myös kuitubetonilaattojen täysimittaisia kuormituskokeita, joiden perusteella on havaittu rakenteen omaavan riittävän kantokyvyn ja toimivan hyväksyttävällä tavalla sitkeästi. [18,54] Kuitubetonin käyttö on kuitenkin vielä myös ulkomailla mahdollisuuksiinsa nähden alhaista, mutta maailmanlaajuinen tutkimustyö sekä suunnitteluohjeiden kehittäminen ja käyttöönotto levittävät tietoisuutta kuitujen tuomista eduista [29]. Lähteen [10] mukaan 2000-luvun alussa vuosittain valmistetun kuitubetonin määrästä noin 60 % käytettiin maanvaraisiin laattoihin, 25 % kuiduilla vahvistettuun ruiskubetoniin ja 5 % kuitubetonista valmistettuihin elementteihin. 2.2 Materiaalien mekaaniset ominaisuudet Teräskuitubetoni koostuu kahdesta pääkomponentista eli betonimatriisista ja teräskuiduista. Betonimatriisi taas muodostuu sementin lisäksi runkoaineksesta, vedestä ja mahdollisista lisäaineista. [3,7] Lopullisen komposiittimateriaalin ominaisuudet riippuvat edellä mainittujen yksittäisten komponenttien ominaisuuksista, niiden suhteellisesta määrästä sekä materiaalien yhteistoiminnasta. Myös komponenttien asemalla suhteessa toisiinsa on merkitystä lopputuotteen ominaisuuksien kannalta. [3] Teräskuitubetonin mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät on listattu hyvin tiivistetysti lähteessä [10]. Tekijöitä ovat: (1) Kuidut: tyyppi (type) geometria (geometry) hoikkuusluku (aspect ratio) tilavuusprosentti (volume) suuntautuminen (orinetation) leviäminen (distribution)

19 5 (2) Matriisi: lujuus (strength) runkoaineksen maksimikoko (max. aggregate size) (3) Näytekappale: koko (size) geometria (geometry) valmistelu (method of preparation) kuormitusnopeus (loading rate). Seuraavissa kappaleissa on käyty tarkemmin läpi teräskuitubetonin pääkomponenttien ominaisuudet ja niiden kannalta myös erilaiset olemassa olevat vaihtoehdot. Kohdassa 2.3 on käsitelty eri komponenttien yhteistoimintaa komposiittirakenteena Teräskuidut ja 1960-luvuilta lähtien kuitubetonirakenteista on eniten tutkittu teräskuitubetonia. Teräskuidut ovat asbestituotteiden vähennyttyä yleisimmin käytetty kuitutyyppi kuitubetonirakenteissa. [11] ACI komitean 544 raportin [3] mukaan teräskuitujen rakenteelliseen käyttäytymiseen vaikuttavia ominaisuuksia ovat kuitujen lujuus, kimmomoduuli, tilavuusprosenttiosuus sekä kuitujen ja betonin välinen sidos. Sidoksen tartuntalujuuteen vaikuttavat kuitujen muotoilu ja halkaisija sekä betonin lujuus Kuitutyypit Erilaisia teräskuitutyyppejä on markkinoilla useita. Yksinkertaisin teräskuitu on suora, teräslangasta katkottu tai teräslevystä leikattu kuitu. Kuitujen tartuntaominaisuuksia on tavallisesti pyritty parantamaan erilaisin muotoiluin. Kuitujen pinta on voitu tehdä epätasaiseksi, kuitu on voitu muotoilla aaltomaiseksi, kuidun päät on voitu tehdä koukkumaisiksi tai kuidun päät on voitu litistää. Muotoilu edesauttaa kuitujen mekaanista ankkuroitumista betonimatriisiin. [55,86] Kuitujen geometria vaikuttaa myös jonkin verran kuitujen leviämiseen tuoreessa betonimassassa. Hyvin leviäviä ovat esimerkiksi pinnaltaan tasaiset koukkupäiset kuidut. Aaltomaiset ja naulamaiset kuidut sitä vastoin leviävät heikommin. [39] Koukkupäisiä kuituja toimitetaan irtonaisina tai liimapakoissa. Sekoitettaessa kuidut betonimassaan, liima liukenee, jolloin kuidut irtoavat toisistaan ja leviävät palloutumatta. [39,43] Suomessa käytettävät kuidut ovat yleensä jollain tavalla muotoiltuja. Eri kuituvalmistajilla on hieman toisistaan eroavia valikoimia, mutta hyvin yleinen on esimerkiksi koukkupäinen kuitutyyppi. Erilaisia kuitutyyppejä on esitetty kuvassa 1.

20 6 Kuva 1. Geometrialtaan erilaisia teräskuitutyyppejä sekä niiden poikkileikkauksia. (a) Suora, litteä tai pyöreä. (b) Muotoiltu (esim. aaltomainen tai poimutettu), litteä tai pyöreä. (c) Koukkupäinen, pyöreä, irtonaisena tai liimakammassa. (d) Laajennetuilla päillä, litteä tai pyöreä. (e) Työstölastu. (f) Sulattamalle erotettu kuitu. [3,7] Teräskuitubetonirakenteissa käytettävien teräskuitujen tulee olla CE-merkittyjä. [73] Kuiduille asetetut vaatimukset ja toleranssit on esitetty kuituja koskevassa standardissa SFS-EN [71]. Englanninkielinen standardi jakaa kuidut valmistusmenetelmiensä mukaisesti seuraaviin luokkiin: - Ryhmä 1: kylmävedetty lanka (cold-drawn wire) - Ryhmä 2: leikattu kaistale (cut sheet) - Ryhmä 3: sulattamalla erotettu (melt extracted) - Ryhmä 4: höylätty kylmävedetty lanka (shaved cold drawn wire) - Ryhmä 5: paloista jauhettu (milled from blocks). Standardin [71] mukaan CE-merkinnässä on ilmoitettava kuidusta varmennenumero, standardiviite, tuotteen kuvaus, nimi, materiaali, mitat, muoto, vaikutus työstettävyyteen ja käyttötarkoitus. Lisäksi tulee esittää teräskuidun valmistajan ilmoittama minimikuitumäärä, jolla saavutetaan 1,5 MPa:n jäännöstaivutusvetolujuus 0,5 millimetrin levyisessä halkeamassa sekä 1,0 MPa:n jäännöstaivutusvetolujuus 3,5 millimetrin levyisessä halkeamassa Kuitujen mitat, hoikkuusluku ja kriittinen pituus Edellä esitettyihin ryhmiin 1 2 kuuluvien kuitujen mitoista tulee standardin [71] mukaan valmistajan toimesta esittää pituus, ekvivalentti halkaisija sekä hoikkuusluku, joka kuvaa kuidun pituuden ja halkaisijan välistä suhdetta [71]. Suhteen suuruus vaikuttaa

21 7 myös kuidun tartuntaominaisuuksiin, koska hoikemmalla kuidulla on enemmän tartuntapintaa betonimatriisiin suhteessa omaan tilavuuteensa [4]. Hoikkuusluvun (l f /d f ) arvo vaihtelee tavallisesti välillä , jolloin kuitujen on geometriansa puolesta mahdollista levitä kovettumattomaan betonimassaan tasaisesti [3,39]. Ryhmiin 3 5 kuuluvia kuituja ei tavallisesti esiinny kantavissa teräskuitubetonirakenteissa. Poikkileikkaukseltaan pyöreiden teräskuitujen halkaisija (d f ) voi vaihdella hieman lähteestä riippuen välillä 0,25 1,00 mm [3,11]. Suorakaiteen muotoisten poikkileikkausten mitat vaihtelevat lähteestä riippuen paksuudeltaan välillä 0,15 0,64 mm ja leveydeltään välillä 0,25 2,03 mm [3,11]. Teräskuitujen pituus (l f ) vaihtelee tavallisesti mm:n välillä. Kantavissa kuitubetonirakenteissa kuidut ovat yleensä mm:n pituisia. Pidemmillä kuiduilla on teoriassa suurempi kapasiteetti, mutta käytännön kokeiden perusteella ne ovat antaneet heikompia tuloksia huonomman leviämiskykynsä vuoksi. Jännitysten siirtyminen betonimatriisista teräskuiduille tapahtuu rajapinnassa esiintyvien leikkausvoimien välityksellä. Kriittinen kuitupituus (l c ) tarkoittaa teräskuidun vähimmäispituutta, jolla kuitu voi saada riittävän tartunnan betonimatriisiin ja saavuttaa täyden kapasiteettinsa. Kriittinen kuitupituus voidaan lähteiden [7,11,39] perusteella laskea suoralle kuidulle kaavalla (1): = (1) jossa f fu kuidun vetolujuus d f kuidun halkaisija keskimääräinen tartuntajännitys. Saksalaisen Beton Kalenderin mukaan kuidun keskimääräinen tartuntapituus (l e ) on todennäköisyysjakauman perusteella maksimiarvon ½ l f sijaan ¼ l f. Tässä tapauksessa kaavan nimittäjässä oleva kerroin 2 supistuu pois [39]. Kuidut, joiden pituus on pienempi kuin kriittinen pituus, eivät katkea murtotilanteessa, vaan ne liukuvat ulos betonimatriisista tartunnan pettämisen tai matriisin murtumisen vuoksi. Kuidun tartunta pettää aina halkeamaan nähden heikommin tarttuneesta päästä, joten tartuntapituus (l e ) on ideaalitilanteessa enimmillään puolet kuidun pituudesta. Jos kuidun pituus on kriittistä pituutta suurempi, katkeaa kuitu murtotilanteessa ja rakenne käyttäytyy hauraasti. [7,11,39] Lujuusominaisuudet Teräskuidut poikkeavat vetolujuusominaisuuksiltaan usein huomattavasti tavanomaisesta raudoitusteräksestä. Teräskuitujen vetolujuus voi vaihdella lähteestä riippuen välillä MPa [11,39,43]. Vetolujuuden minimivaatimukselle on myös annettu erilaisia arvoja. Amerikkalaisen ASTM A 820 standardin mukaan vähimmäisarvo on 345 MPa, kun taas japanilaisen JSCE:n minimisuositus on 552 MPa [3]. Suomessa käytet-

22 8 tävien teräskuitujen vetolujuus on tavallisesti luokkaa N/mm 2 [55]. Kimmomoduulin arvo teräskuiduissa käytettävillä teräslaaduilla on noin GPa eli samaa luokkaa kuin tavanomaisesti käytettävillä raudoitusteräksillä. Teräskuidut valmistetaan tyypillisesti hiiliteräksestä tai ruostumattomasta teräksestä. [7,11] Ominaisuuksiensa perusteella teräskuidut soveltuvat erityisen hyvin betonirakenteen rakenteellisen kestävyyden ja halkeamien hallinnan parantamiseen. Verrattuna muihin kuitumateriaaleihin, ovat teräksen etuna lujuusominaisuuksien lisäksi hyvät elastiset ominaisuudet ja betonin kanssa samaa suuruusluokkaa oleva lämpölaajenemiskerroin. Ei-rakenteellisten ominaisuuksien, kuten plastisen kutistumahalkeilun tai palotilanteen lohkeilun hallintaan soveltuvat paremmin muut kuitutyypit. [38,40] Tuore teräskuitubetonimassa Runkoaines ja suhteitus Betoniyhdistyksen Kuitubetonirakenteet -luentomonisteen [85] perusteella teräskuitujen lisääminen betoniin ei lattiabetonien tapauksessa välttämättä vaadi suuria muutoksia tavanomaisen betonin suhteitukseen. Teräskuidut eivät osallistu sementin ja lisäaineiden välisiin kemiallisiin reaktioihin vaan toimivat massassa kuten runkoaines. Kun käytössä ovat laadukkaat raaka-aineet ja oikea suhteitus, voi teräskuituja lisättäessä riittää joissain tapauksissa pelkästään betonin notkeuden säätäminen. [85] Saksalaisen Beton Kalenderin [39] mukaan tavanomaisesti suhteitetun betonin käyttö on yleistä, mutta se on mahdollista vain erittäin alhaisilla teräskuitumäärillä. Korkeammilla kuitupitoisuuksilla betonikoostumuksen muuttaminen on välttämätöntä. Teräskuitubetonin tapauksessa betonin runkoaineksen maksimiraekoon suositellaan olevan enintään 16 mm tai mieluummin 8 mm. Kuitenkin myös 22 ja 32 mm:n maksimiraekoolla on pystytty tekemään täysin työstettävää teräskuitubetonia. Kiviaines, joka on kooltaan suurempaa kuin keskimääräinen kuitujen välinen etäisyys, johtaa väistämättä kuitujen kasaantumiseen ja epätasaiseen leviämiseen. Kiviaineskoko ei saisi myöskään ylittää kolmannesta käytettävien teräskuitujen pituudesta, jotta kuitujen riittävä limittyminen on mahdollista. [39] Taulukossa 1 on esitetty Beton Kalenderissa esitettyjä esimerkkejä teräskuitubetonin koostumuksesta erilaisten maksimiraekokojen tapauksessa. Taulukko 1. Esimerkkejä teräskuitubetonin koostumuksista eri raeko oilla. Muokattu lähteestä [39]. Suurin kiviaines 8 mm Suurin kiviaines 16 mm Suurin kiviaines 32 mm Sideainepitoisuus [kg/m 3 ] w/c-suhde [ ] 0,35 0,45 0,35 0,50 0,35 0,55 Hienoainesosuus (0 2 mm) kiviaineksesta [til-%] Kuitumäärä [til-%] ,4 1,5 0,3 1,0 0,3 0,8

23 9 Kiviaineksen suositeltava maksimiraekoko vaihtelee hieman lähteestä riippuen. ACI 544 komitean raportin [5] mukaan maksimiraekooltaan jopa 38 mm:n (1½ ) kiviainesta on käytetty teräskuitubetonissa menestyksekkäästi. Kooimanin väistöskirjan [47] ja italialaisen ohjeen [14] mukaan maksimiraekoko ei saisi ylittää puolta kuidun pituudesta. Kuten edellä mainittiin, on suuren kiviaineksen käytöllä vaikutusta teräskuitujen annosteluun. Mitä alhaisempi suurten kiviainespartikkeleiden määrä on, sitä enemmän kuituja voidaan lisätä massaan ilman palloutumista. Tämä tarkoittaa kuitujen kerääntymistä paakuiksi betonimassassa (kuva 2). Jotta palloutumiselta varmasti vältyttäisiin, tulisi kiviaineksen osuus rajoittaa maksimissaan 55 tilavuusprosenttiin ja lisätä hienoaineksen määrää. [5,39]. Jos suuria kiviaineskokoja käytetään, on halkaisijaltaan paksumpi teräskuitu parempi. [39] Kiviaineskoon vaikutusta on selvennetty kuvassa 2. Kuva 2. Kiviaineksen koon vaikutus kuitujen leviämiseen, suuntautumiseen ja massan työstettävyyteen [39]. Kuidun hoikkuusluvulla on selkeä vaikutus betonimassaan. Hoikilla teräskuiduilla on suurempi kapasiteetti betonissa, mutta toisaalta suuren hoikkuusluvun omaavat kuidut on vaikeampi sekoittaa betoniin suuren kappalemääränsä vuoksi. Hoikkuusluvun ollessa yli 60 suositellaan käytettäväksi liimakammallisia kuituja, jotta palloutumista ei esiintyisi. Palloutuminen on ongelmana erityisesti korkeilla kuitumäärillä sekä käytettäessä korkean hoikkuusluvan omaavia kuituja ja maksimiraekooltaan suurta runkoainesta. Myös kuidun kompleksinen muotoilu edesauttaa palloutumista. [7,14,85]

24 10 Kuva 3. Homoogeenisesti levinneitä (vasemmalla) sekä tuoreessa betonimassassa palloutuneita teräskuituja (oikealla) [39] Kuitujen sekoittaminen Teräskuitujen syöttäminen betonimassaan tapahtuu joko automatisoidusti tai käsin. Nykyään tehtaissa on tavallisesti jonkinlainen kuitutyypistä riippuva automatisoitu kuitusyötin, joka punnitsee kuidut ja syöttää halutun määrän kuituja betonimassaan annoskoon mukaisesti. Kuidut annostellaan kiviaineksen joukkoon tai sekoittimessa olevaan valmiiseen betonimassaan. Automaattisella kuituannostelijalla voidaan päästä testien perusteella ± 2 kg/m 3 :n annostelutarkkuuteen. [85] Kantavien kuitubetonirakenteiden tapauksessa kuitujen käsin lisääminen ei ole suositeltavaa liiallisen epätarkkuuden vuoksi. Kuitubetonin sekoitusajat ovat tavanomaiseen betoniin nähden noin 1,5 2-kertaisia, jotta pystytään varmistamaan kuitujen tasainen leviäminen betonimassaan. Kuitujen sekoittaminen tulisi tehdä sekoitinauton sijaan betoniasemalla, jotta saadaan mahdollisimman tasalaatuinen kuitubetonimassa ja lopputuloksena toimiva rakenne. [54,85] Tuoreen betonimassan ominaisuudet riippuvat suurelta osin käytettävän betonin rakeisuuskäyrästä ja viskositeetista. Kuitujen sekoittuvuuteen ja pumpattavuuteen on mahdollista vaikuttaa oleellisesti kiviaineskäyrää muokkaamalla. Massan ominaisuuksiin vaikuttaa erityisesti hienoainespään suhteitus. [14,85] Louhitun runkoaineksen käyttö voi johtaa tuoreen teräskuitubetonin työstettävyyden heikkenemiseen [39] Sementti, vesi ja lisäaineet Teräskuitubetonin tapauksessa suositellaan käytettäväksi tavallista korkeampaa liimaainesmäärää, jotta varmistutaan riittävästä työstettävyydestä. Lisääminen saa aikaan sen, että kuidut peittyvät kokonaan sementtipastalla ja toimivat rakenteessa optimaalisesti. Sementtilaatu voi olla sama kuin tavanomaisilla betoneilla. Runkoainesmäärässä tulee ottaa huomioon kuitujen syrjäyttämä tilavuus. Määrä riippuu käytettävästä vesisementtisuhteesta ja halutusta lujuusluokasta, kuten taulukossa 1 on esitetty. Betonin lujuudella on yhteys kuitujen ja betonimatriisin keskinäiseen tartuntaan. [39,47] Betonin viskositeettiin voidaan vaikuttaa notkistimien ja hienoaineksen määrän lisäksi vesimäärää sää-

25 11 tämällä. [85] Vesisementtisuhteen kasvamisella on epäedullinen vaikutus lujuuteen, kutistumaan ja halkeilualttiuteen, joten vesimäärän lisäämisen sijaan on usein järkevämpää käyttää notkistinta työstettävyyden parantamiseksi. [7] Teräskuitujen lisääminen vaikuttaa myös betonimassan ilmapitoisuuteen. Ilmakuplat eivät pääse kuitujen vuoksi poistumaan kovin helposti tiivistettäessä, ja siksi voi olla tarpeen käyttää ilmaa poistavaa lisäainetta. [39,47] Työstettävyys, pumppaus ja laadunvarmistus Teräskuitubetonin riittävästä työstettävyydestä on varmistuttava, jotta massa on riittävän hyvin pumpattavissa ja valettavissa, tiivistyy hyvin, ja voidaan viimeistellä mahdollisimman helposti. Samalla kuitujen tulisi olla tasaisesti levinneenä massaan ja vedenerottumisen sekä lajittumisen mahdollisimman vähäistä. Tiivistymisasteella on vaikutusta kovettuneen materiaalin lujuuteen ja myös muihin ominaisuuksiin. [3] Teräskuitujen lisääminen aiheuttaa tavallisesti tuoreen betonimassan jäykistymistä. Erityisesti staattisessa tilassa ollessaan teräskuitubetonimassa vaikuttaa varsin vaikeasti työstettävältä. Kuitenkin liikkeellä ollessaan oikein suhteitetun teräskuitubetonimassan on havaittu käyttäytyvän paljolti samalla tavalla kuin betonimassan, johon ei ole lisätty kuituja. Tästä syystä teräskuitubetonin työstettävyyttä tutkittaessa voidaan staattisessa tilassa tapahtuvalla koemenetelmillä (esimerkiksi painumakoe) saada harhaanjohtavia tuloksia. Näin ollen tarkastelussa tulisikin suosia dynaamisia koemenetelmiä. [11] Notkeus voidaan määrittää standardin [69] (SFS-EN ) mukaisella Vebe-kokeella. Teräskuitubetonin pumppauslinja tulee pitää mahdollisimman lyhyenä, varsinkin suurilla kuituannoksilla. Tarpeettomia mutkia ja supistajia tulee tukosriskin vuoksi välttää. Pumppausletkun koko tulisi valita riittävän suureksi siten, että käytettävän kuidun pituus on enintään 2/3 sen halkaisijasta. Valuvan betonimassan vaatima riittävä vapaa tila tulisi putken lisäksi huomioida myös mahdollisissa tankoraudoituksissa. Teräskuitubetonin laadun kannalta oleellista on toteutuneen kuitumäärän eli sekoituksen onnistuminen tarkistaminen. Tarkistus tehdään pyörintäsäiliöstä tai sekoittimesta otettavista noin 5 10 litran näytteistä. Kantavia rakenteita valmistettaessa tarkastus tulisi tehdä vähintään kolmesta betonikuormasta päivää kohden. Kuormasta otetusta näytteestä erotellaan pesemällä teräskuidut, jonka jälkeen ne kuivataan ja punnitaan. Vähintään kuuden mitatun näytteen perusteella saatu keskiarvoinen kuitumäärä ei saa alittaa tavoiteltua kuituannostusta yli 10 %. Yksittäisen näytteen tapauksessa tavoiteannostuksen alitus ei saa olla yli 20 %. [73,85] Kovettunut teräskuitubetoni Teräskuitubetoni voidaan yleisellä tasolla luokitella betonilujuuden ja kuitupitoisuuden suhteen. Käytettäessä teräskuitubetonia kantavissa rakenteissa, tulee luokitus tapahtua tarkemmin sen lujuusominaisuuksien suhteen. Lujuusominaisuudet määritetään erilaisilla jäljempänä esitellyillä koemenetelmillä ja niiden merkintätapoja on esitetty eri mitoitusmenetelmien yhteydessä. [5]

26 12 Teräskuitujen lisäämisellä pyritään täydentämään hauraasti käyttäytyvän betonin puutteellisia materiaaliominaisuuksia erityisesti huonon vetokestävyyden ja venymäkyvyn suhteen, mutta tämän lisäksi kuiduilla on edullinen vaikutus myös moniin muihin ominaisuuksiin. Tavallisesti betonin materiaaliominaisuuksista johtuvat puutteet on pyritty rakenteissa korvaamaan tankoraudoituksilla. Teräskuitujen käyttö raudoituksena eroaa monella tavalla perinteisestä raudoituksesta. Teräskuidut ovat raudoituksena epäjatkuvia ja sijaitsevat satunnaisessa asemassa sekä satunnaisesti levinneenä betonirakenteeseen. Tavanomainen raudoitus taas on jatkuva ja sijoitettu tarkasti tiettyyn asemaan, jotta se toimisi rakenteellisesti mahdollisimman tehokkaasti. Kuitubetonia käytettäessä tavanomaisen raudoitustyön tarve vähenee ja sitä kautta voidaan päästä aika- ja kustannussäästöihin. Kovettuneen teräskuitubetonin ominaisuuksiin vaikuttaa oleellisesti teräskuitujen tasainen levinneisyys. Tämän lisäksi oleellista on kuitumäärä sekä betonin ja kuidun välinen tartunta, joka riippuu käytettävän betonin lujuudesta ja kuitujen mekaanisista ominaisuuksista. Betonin ja kuidun välinen tartunta vaikuttaa rasitusten siirtymiseen betonimatriisista kuituihin ja päinvastoin. [4] Seuraavassa on esitetty tarkemmin teräskuitubetonin mekaanisia ominaisuuksia. Aluksi on käyty läpi staattiset mekaaniset ominaisuudet ja kohdasta alkaen käsitellään dynaamisia ominaisuuksia Kuitujen vaikutus halkeilemattomaan betonimatriisiin Kuitujen vaikutus halkeilemattoman betonin lujuusominaisuuksiin (puristuslujuus, vetolujuus, kimmomoduuli) on lähes merkityksetön. Lujuusominaisuuksien kasvu voi olla korkeimmillaan vain noin 5 %:n luokkaa. [39] Kuidut aiheuttavat toisaalta betonimassan ilmamäärään pienen kasvun, joka vaikuttaa osaltaan negatiivisesti kovettuneen betonin puristuslujuuteen. Myös kuitukammoissa käytettävä liima-aines voi aiheuttaa betonimassan ilmamäärän lisääntymistä Kuitumäärä ja kuitujen orientaatio Teräskuitubetonirakenteen ominaisuuksien kannalta erittäin oleellista kuitutyypin lisäksi on kuitumäärä (V f ). Määrä ilmoitetaan yleensä kilogrammoina betonikuutiota kohden tai tilavuusprosentteina. Italialaisen ohjeen [14] mukaan teräskuitujen minimimäärä teräskuitubetonirakenteessa on 0,3 til-%. Kantavan teräskuitubetonirakenteen kuitumäärä on kuitenkin korkeampi. Kuitumäärä voi tällöin olla karkeasti noin 50 kg/m 3 (~0,65 til-%) ja siitä ylöspäin. Teräskuitujen toimintaan betonimatriisissa vaikuttaa oleellisesti kuitujen orientaatio ja tasainen leviäminen. Kuitujen orientaatiosta ja sen mallintamisesta on tehty useita tutkimuksia. Suomalaisia julkaisuja ovat esimerkiksi [26,74]. Teräskuitubetonirakenteen kuitumäärästä puhuttaessa on huomattava, että kyseessä on aina keskimääräinen kuitumäärä betonikuutiota kohden. Tämä ei vastaa kuitenkaan todellisuutta, koska asemaan ja orientaatioon vaikuttavat esimerkiksi betonimassan valusuunta ja tiivistäminen. Kui-

27 13 tujen leviämistä ja orientaatiota voidaan valmiissa rakenteessa tutkia röntgenkuvaamalla. [11] Kriittinen kuitumäärä tai kuitujen tilavuusosuus (V cr, V crit, Critical fiber volume fraction) tarkoittaa kuitumäärää, joka betonissa vähintään tulee olla, jotta teräskuidut pystyvät juuri ja juuri välittämään betonilta halkeaman muodostumisen jälkeen siirtyvät vetojännitykset (kuva 4). Kriittinen kuitujen tilavuusosuus saadaan määritettyä asettamalla komposiitin kuormankantokyky yhtä suureksi kuitujen kuormankantokyvyn kanssa. [7,11,39] Kuva 4. Kriittinen kuitumäärä V crit. Suomennettu lähteestä [39]. Kun kuitumäärä on kriittistä tilavuusosuutta suurempi, alkaa komposiittirakenteeseen kuormitettaessa syntyä yhden halkeaman sijaan useampia halkeamia. Teräskuitubetonin tapauksessa V cr on lähteestä riippuen noin 0,2-0,8 til-%:a. Tällöin on kuitenkin oletettu, että kuitujen pituus ylittää kriittisen pituuden ja kaikki kuidut ovat suuntautuneet vetorasitusten suuntaisesti. Kuitujen epämääräisen suuntautumisen ja epätäydellisen tartuntatilan vuoksi kuitumäärä on todellisuudessa huomattavasti esitettyä määrää korkeampi. [7,11,39] Kuitujen tartuntapituus ja orientaatio voidaan lähteen [11] mukaan huomioida kertomalla kriittinen tilavuus korotuskertoimilla 2 tai 3, riippuen vaihteleeko kuidun suuntaus 2- vai 3-ulotteisesti. Kuvassa 4 on esitetty kriittisen kuitumäärän yhteys palkin taipumaan. Kuva havainnollistaa kuidun hoikkuusluvun, kuidun ja matriisin sidoslujuuden sekä kuidun orientaation vaikutusta kriittiseen kuitumäärään.

28 14 Kuva 5. Kriittinen kuitumäärä V cr suhteessa kuidun hoikkuuteen l/d käytettäessä lyhyitä kuituja: (a) komposiiteille, joiden kuidun ja matriisin välinen sidoslujuus fu vaihtelee, mu = 3 MPa ja kuidun asema on 2-ulotteisesti satunnainen; (b) komposiiteille, joiden kuitujen orientaatio vaihtelee 1-ulotteisesta 3-ulotteiseen, mu = 5 MPa ja fu = 3 MPa [11] Puristuslujuus Teräskuiduilla ei ole huomattavaa vaikutusta teräskuitubetonin puristuslujuuteen. Vaikutus ilmenee vasta suhteellisen korkeilla kuitumäärillä (noin yli 1 til-% [64]) ja se on tapauksesta riippuen 0 25 %:n suuruusluokkaa [7,11]. Monissa suunnitteluohjeissa oletetaan tämän vuoksi teräskuitubetonin puristuslujuudeksi (f fck ) betonin puristuslujuus (f ck ) [14,19,30,80]. Teräskuidut lisäävät kuitenkin olennaisesti halkeilun jälkeistä sitkeyttä ja energian absorbointikykyä ennen murtoa. Nämä ominaisuudet paranevat kuitujen hoikkuusluvun ja tilavuusosuuden suuretessa. Koukkupäiset kuidut absorboivat energiaa erityisen hyvin. [11] Vetolujuus (suora veto) Vetorasituksen suuntaiset teräskuidut voivat tuoda jopa yli 100 %:n lisäyksen teräskuitubetonin suoran vetolujuuden (f fu ) arvoon verrattaessa pelkkään betoniin. Vetolujuuteen vaikuttaa kuitenkin olennaisesti kuitujen suuntautuminen ja kuitumäärä, joten todellisuudessa teräskuitujen tuoma vetolujuuden lisäys on lähteestä riippuen enimmillään

29 %:n luokkaa. [3,11] ACI raportin [3] mukaan suoran vedon tapauksessa on 1,5 til-%:n kuitumäärällä havaittu %:n parannusta vetolujuudessa. Kuitujen lisääminen pelkästään suoran vetolujuuden parantamiseksi ei ole tavallisesti järkevää, koska tavanomainen raudoitusteräs toimii tilanteessa tehokkaammin. Tavallisesti kuituja lisättäessä on kuitenkin tarkoitus hyödyntää myös kuitujen tuomia muita positiivisia vaikutuksia. [11] Italialaisen CNR:n (National Research Council) ohjeen [14] mukaan kuitubetoni käyttäytyy ensimmäisen halkeaman jälkeen noin alle 2 tilavuusprosentin kuitumäärillä suorassa vedossa pehmenevästi (softening behaviour), jolloin halkeaman muodostuttua sen vetokapasiteetti laskee. Tätä suuremmilla kuitumäärillä (yli 2 til-%) kapasiteetti lähtee halkeaman muodostumisen jälkeen nousemaan ja käyttäytyminen on lujittuvaa (hardening behaviour). Käyttäytymistä on havainnollistettu kuvassa 6. 2 til-%:n kuitumäärä tarkoittaa noin 160 kg:n kuitumäärää betonikuutiota kohden, joten kyseessä on jo varsin suuri kuitumäärä. Suuren kuitumäärän tapauksessa vetojännitykset leviävät kuitujen vaikutuksesta ja halkeamia syntyy yhden ison sijaan useampia pieniä, kuten kuvassa 6 on esitetty. Taivutuksessa lujittuvaan käyttäytymiseen voidaan päästä huomattavasti alemmilla kuitumäärillä. Kuva 6. Teräskuitubetonin käyttäytyminen suorassa vedossa kuitumäärästä riippuen [14] Taivutuslujuus ja -sitkeys Verrattuna puristus- ja vetolujuuteen, on teräskuiduilla huomattavasti enemmän vaikutusta rakenteen taivutuslujuuden paranemiseen. Tämä johtuu siitä, että teräskuitubetonin sitkeä käyttäytyminen palkin vetopuolella muuttaa normaalisti kimmoista jännitys- ja venymäjakaumaa palkin korkeussuunnassa. Muuttunut jännitysjakauma on pohjimmiltaan plastinen vetopuolella ja kimmoinen puristuspuolella, jolloin neutraaliakseli siirtyy puristuspuolen suuntaan. [3] Taivutuslujuuden nousu voi joissain tapauksissa olla jopa yli 100 %, mutta se riippuu pitkälti käytettävästä kuitumäärästä sekä kuitujen hoikkuu-